АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНСОЛЯЦИИ ЗЕМЛИ И ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

В.М. Федоров

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Введение

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли (Лоренц, 1970: Кондратьев, 1980: Монин, Шишков, 2000). Лучистая энергия Солнца является основным источником энергии гидрометеорологических и многих других процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, на земной поверхности. Энергия Солнца является важнейшим фактором развития жизни на Земле, обеспечивающим необходимые для жизни термические условия и фотосинтез. Поэтому анализ связи многолетней изменчивости инсоляции Земли и ее термического режима имеет важное значение для исследования происходящих в географической оболочке Земли процессов, причин формирования и изменения глобальных и региональных климатических условий существования жизни на планете.

В отличие от немногих известных расчетов инсоляции (приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной энергии) охватывающих диапазон высокочастотных вариаций (Berger et al., 2010; Bertrand et al., 2002; Borisenkov et al., 1983; Loutre et al., 1992) наш метод расчета учитывает эллипсоидальную форму Земли и изменение продолжительности периода ее обращения вокруг Солнца (Федоров, 2017: Fedorov, 2013), Несмотря на известные результаты расчетов инсоляции с большим временным и пространственным разрешением и очевидность значимости солярного фактора, связи инсоляции и ПТВ исследованы недостаточно.

Основной целью работы является определение и анализ связи многолетних изменений аномалии ПТВ относительно климатической нормы 1961 – 1990 гг. в пространственном (широтном) и временном (сезонном) отношении с инсоляцией Земли (Дж/м²).

Анализировались связи в многолетней изменчивости инсоляции и приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в пространстве и во времени. В качестве исходных данных использовались значения аномалии ПТВ приведенные в массиве HadCRUT4 университета Восточной Англии и метеобюро Хэдли. HadCRUT4 – это трехмерный массив месячных значений аномалии ПТВ (относительно нормы 1961 – 1990 гг.) с разрешением по пространству 5 на 5 градусов. Нами рассматривался период достоверных данных с 1900 по 2014 гг.
(http://www.metoffice.gov.uk/...............). По этому массиву рассчитывались средние годовые, полугодовые и месячные значения аномалии ПТВ для Земли, полушарий и 5-ти градусных широтных зон. Данные по инсоляции (Дж/м2) рассчитывались автором совместно с А.А. Костиным (Федоров, 2017, http://www.solar-climate.com/sc/mtd.htm).

Методика расчета исоляции

Расчеты приходящей солнечной радиации выполнялись по данным астрономических эфемерид (Giorgini et al., 1996; http://ssd.jpl.nasa.gov) для всей поверхности Земли (без учета атмосферы) в интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. Исходными астрономическими данными для расчетов инсоляции были склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего (среднего солнечного) и всемирного корректируемого времени (истинного солнечного). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80 – Geodetic Reference System, 1980) с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:

(1)

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); – площадной множитель (м²), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; – часовой угол, – географическая широта, выраженные в радианах; H – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); – инсоляция в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м²), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года (Fedorov, 2013). Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м² (Kopp, Lean, 2011). По результатам расчетов сформирована общедоступная база данных приходящей солнечной энергии во все широтные зоны Земли (протяженностью в 5 градусов) за каждый астрономический месяц каждого года для периода от 3000 до н.э. до 2999 г. н.э. (http://www.solar-climate.com).

Многолетняя изменчивость инсоляции Земли и глобальной ПТВ

В результате корреляционного анализа обнаружена связь в многолетней изменчивости аномалии ПТВ Земли и полушарий с инсоляционной контрастностью (ИК). Для полушарий ИК рассчитывалась как разность солнечной энергии приходящей в широтную область 0°–45° и 45°–90° (каждого полушария) за год. Для Земли в качестве ИК принималось среднее годовое значение инсоляционной контрастности, полученное для полушарий. ИК рассчитывалась по полученным нами значениям инсоляции Земли (http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm).

Многолетняя изменение инсоляционной контрастности определяется изменением угла наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации (Fedorov, 2015 a, b; Федоров, 2017). Изменение инсоляционной контрастности линейно связано с изменением угла наклона оси вращения Земли (рис. 1). Коэффициент корреляции на интервале от 1850 до 2050 гг. составляет -0,998.

Рис. 1. Многолетняя изменчивость угла наклона оси вращения
(1) и инсоляционной контрастности (2) Земли

В связи с тем, что отмечаемая в инсоляции и ИК 19-ти летняя вариация (Федоров, 2017) в климатической системе глобально не проявляется, применялось сглаживание инсоляции и ИК по 21-му летнему скользящему среднему. Многолетняя изменчивость в рядах ИК и угла наклона оси на 83,0% и 85,3% соответственно определяется трендами. При сглаживании по 21-му летнему скользящему среднему изменчивость в рядах ИК и наклона оси на 99,8% и 99,9% соответственно связана с трендами.

В исходных рядах изменчивость ПТВ Земли и полушарий также в основном определяется трендами (рис. 2). Коэффициент детерминации показывает долю изменчивости ПТВ определяемую трендом (полином второй степени).

Рис. 2. Многолетняя изменчивость аномалии ПТВ
Северного (1), Южного (2) полушария и Земли (3) (http://www.metoffice.gov.uk/........)

Таким образом, чтобы объяснить многолетнюю изменчивость ПТВ Земли и полушарий следует определить фактор, определяющий тренды в исходных рядах изменчивости глобальной температуры. Анализ показывает, что многолетняя изменчивость глобальной ПТВ характеризуется тесными положительными корреляционными связями с многолетней изменчивостью ИК и отрицательными с многолетней изменчивостью угла наклона оси. Значение коэффициента корреляции ИК и аномалии ПТВ Земли составляет 0,888, аномалии ПТВ северного полушария 0,833, аномалии ПТВ южного полушария 0,914. Следовательно, многолетняя изменчивость ПТВ Земли на 81,4%, в Северном полушарии на 74,7%, в Южном полушарии на 83,7% определяется многолетней изменчивостью инсоляционной контрастности Земли и полушарий. Как отмечалось, тренд в изменении ИК определяется изменением угла наклона оси вращения Земли. Угол наклона, таким образом, регулирует, а ИК характеризует изменение (усиление или ослабление) работы «тепловой машины первого рода» – основного механизма межширотного теплообмена в климатической системе Земли (в системе океан – атмосфера).

Таким образом, многолетняя изменчивость аномалии глобальной ПТВ определяется многолетней изменчивостью ИК связанной с изменением угла наклона оси вращения Земли (Федоров, 2017). Далее мы проанализируем, как изменяются эти, глобально проявляющиеся связи, с увеличением пространственного и временного разрешения.

1. Анализ и оценка связей в пространстве

1.1. Анализ многолетней изменчивости ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах с инсоляцией и инсоляционной контрастностью Земли
(годовой и полугодовой).

В разделе анализируется связь многолетних изменений аномалии ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах с многолетними изменениями инсоляции и инсоляционной контрастности (ИК) Земли (годовой и полугодовой).

Связь многолетней изменчивости годовой аномалии ПТВ Земли в широтных зонах с многолетней изменчивостью годовой инсоляции Земли не обнаружена. Найдена связь многолетней изменчивости годовой аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью ИК Земли во всех 5-ти градусных широтных зонах (рис. 3). ИК для Земли рассчитывалась как среднее по полушариям значение разности годовой инсоляции широтной области 0°–45°(источник тепла) и области 45°–90° (стока тепла).

Рис. 3. Широтное распределение коэффициента корреляции многолетней изменчивости годовой аномалии ПТВ и годовой ИК.

Таким образом, отмечается корреляционная связь многолетних изменений аномалии ПТВ в отдельных широтных зонах с многолетней изменчивостью ИК Земли. На 90,1% площади Земли связь годовой аномалии ПТВ с годовой ИК Земли характеризуется значениями коэффициента корреляции (R), превышающими 0,6. При этом в Северном полушарии значение R превышает 0,6 на 98,5% площади, в Южном полушарии на 81,8% площади. Высокие значения R отмечаются в обширной широтной области от 55° ю.ш. до 80° с.ш. Среднее значение R в этом диапазоне составляет 0,728. Низкие значения R отмечаются в областях Арктики (80° с.ш. – 90° с.ш.) и Антарктики (55° ю.ш. – 90° ю.ш.) и отражают значительное влияние подстилающей поверхности на многолетнюю изменчивость годовой аномалии ПТВ в полярных областях.

Многолетняя изменчивость полугодовых значений аномалии ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах анализировалась в связи с полугодовой инсоляцией Земли и полугодовой ИК Земли (рис. 4, 5). За летнее в Северном полушарии полугодие принимался период с апреля по сентябрь, за зимнее полугодие период с октября по март. При этом значения ИК Земли рассчитывались с учетом сезонного смещения областей источника и стока тепла (от зимнего в полушарии полугодия к летнему). При расчетах использовалась следующая схема сезонной локализации областей источника и стока тепла в полушариях. В зимнее (в Северном полушарии) полугодие за область источника тепла в Южном полушарии принимался широтный диапазон от 10° ю.ш. до 55° ю.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 55° ю.ш. до 90° ю.ш. В Северном полушарии за область источника тепла принимался широтный диапазон от 10° ю.ш. до 35° с.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 35° с.ш. до 90° с.ш. В летнее (в Северном полушарии) полугодие за область источника тепла в Южном полушарии принимался широтный диапазон от 10° с.ш. до 35° ю.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 35° ю.ш. до 90° ю.ш. В Северном полушарии (в летнее для него полугодие) за область источника тепла принимался широтный диапазон от 10° с.ш. до 55° с.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 55° с.ш. до 90° с.ш.

Рис. 4. Широтное распределение коэффициента корреляции многолетней изменчивости аномалии ПТВ с инсоляцией (1) и ИК (2) Земли в зимнее в Северном полушарии полугодие. Аппроксимация – полиномы 6-й степени.

Рис. 5. Широтное распределение коэффициента корреляции многолетней изменчивости аномалии ПТВ с инсоляцией (1) и ИК (2) Земли в летнее в Северном полушарии полугодие. Аппроксимация – полиномы 6-й степени.

Таким образом, в зимнем полушарии многолетнее изменение аномалии ПТВ в широтных зонах в основном определяется многолетней изменчивостью полугодовой инсоляции – положительная корреляция. При этом, среднее значение R в зимнее в Северном полушарии в широтном диапазоне от экватора до 80° с.ш. (т.е. кроме Арктики) составляет 0,620. В зимнее в Южном полушарии полугодие значение R в диапазоне от экватора до 55° ю.ш. (т.е. кроме Антарктики) составляет 0,749.

В летнем полушарии многолетние изменения ПТВ в широтных зонах определяются многолетней изменчивостью полугодовой ИК – положительная корреляция. Среднее значение R для летнего Северного полушария в диапазоне от экватора до 80° с.ш. (т.е. кроме Арктики) также составляет 0,620. Для летнего Южного полушария значение R в диапазоне от экватора до 55° ю.ш. (т.е. кроме Антарктики) составляет 0,690.

Следует отметить, что многолетняя изменчивость полугодовой инсоляции и ИК связаны обратной линейной зависимостью (рис. 6).

Рис. 6. Многолетняя изменчивость полугодовой инсоляции и ИК в полушариях.
(а – многолетняя изменчивость инсоляции в зимние для полугодий полушария; б – многолетняя изменчивость инсоляции в летние для полугодий полушария; в – изменение ИК в зимние для полушарий полугодия; г – изменение ИК в летние для полушарий полугодия)

ИК несколько различается по полушариям только в зимние полугодия (рис. 6 в).

Отмеченная связь многолетней изменчивости аномалии ПТВ в широтных зонах Земли с многолетней изменчивостью инсоляции и ИК определяется тенденциями изменения солярного климата Земли (Fedorov, 2015 b). Для современного солярного климата Земли характерны две основные тенденции: усиление меридиональной контрастности (увеличение инсоляции в экваториальной области и сокращение в полярных районах, т.е. увеличение ИК) и сглаживание сезонных различий (увеличение инсоляции в зимние полугодия и сокращение в летние). Таким образом, в зимние для полушарий полугодия инсоляция увеличивается, а ИК уменьшается. В летние для полушарий полугодия отмечается обратная картина, инсоляция уменьшается, а ИК увеличивается (рис. 6). Многолетняя изменчивость годовой ИК Земли связана с изменением угла наклона оси вращения Земли обратной линейной зависимостью, а многолетняя изменчивость инсоляции прямой линейной зависимостью (рис. 1). Следовательно, многолетняя изменчивость инсоляции и ИК, а также связанная с ней многолетняя изменчивость аномалии ПТВ в широтных зонах определяется изменением угла наклона оси вращения Земли.

Для оценки связи многолетней изменчивости аномалии ПТВ с инсоляцией и ИК Земли использовался коэффициент детерминации (R²), показывающий долю изменчивости аномалии ПТВ определяемую трендами изменения инсоляции и ИК (табл. 1).

Табл. 1. Оценка связи многолетней изменчивости аномалии ПТВ
в широтных зонах с инсоляций и ИК Земли (R²).

Из значений, приведенных в правом столбике таблицы видно, что в полярных областях связь многолетней изменчивости годовой аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью ИК слабая. В южной полярной области (55° ю.ш. – 90° ю.ш.) эта связь нарушается влиянием Антарктиды, в северной полярной области (80° с.ш. – 90° с.ш.) влиянием Арктики (суммарно это влияние проявляется на 9,9% площади Земли).

В широтной области от 55° ю.ш. до 80° с.ш. (т.е. без учета Арктики и Антарктики), многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ на 90,1% площади Земли на 53,9% определяется многолетней изменчивостью ИК. В диапазоне от 50° ю.ш. до 65 с.ш. 57,4% многолетней изменчивости аномалии ПТВ определяется многолетней изменчивостью ИК (это 83,5% площади Земли). В Южном полушарии (на площади 81,8%) в широтном диапазоне от 55° ю.ш. до экватора многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ в среднем на 59,9% определяется многолетней изменчивостью ИК (от 50° ю.ш. до экватора на 62,6%). В Северном полушарии в широтном диапазоне от экватора до 80 с.ш. (98,5% площади Северного полушария) многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ в среднем на 49,8% определяется многолетней изменчивостью ИК.

В Южном полушарии в диапазоне от 20° ю.ш. до 50 ю.ш. многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ в среднем на 73,0% определяется многолетней изменчивостью ИК (это 42,4% площади полушария). Наиболее тесная связь отмечается в широтной зоне 30° ю.ш. – 35° ю.ш., где 82,6% изменчивости годовой аномалии ПТВ определяются многолетней изменчивостью годовой ИК. В Северном полушарии в диапазоне от 25° с.ш. до 50° с.ш. (34,4% площади полушария) многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ на 60,3% определяется многолетней изменчивостью ИК. Наиболее тесная связь отмечается в широтной зоне 20° с.ш. – 25° с.ш., в которой многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ на 63,3% определяется многолетней изменчивостью годовой ИК.

В летние в полушариях полугодия многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ (среднемесячное для широтной зоны значение аномалии за полугодие) в значительной степени определяется ИК, в зимние полугодия – инсоляцией. В летнее в южном полушарии полугодие многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 49,6% (в диапазоне от 55° ю.щ. до экватора, т.е. без учета Антарктиды, 81,8% площади полушария) определяется многолетней изменчивостью полугодовой ИК. В широтном диапазоне 20° ю.ш. – 45° ю.ш. (36,6% площади полушария) многолетняя изменчивость аномалии ПТВ на 66,9% определяется многолетней изменчивостью полугодовой ИК этого полушария. Наиболее тесная связь отмечается в диапазоне 35° ю.ш. – 45° ю.ш., в котором изменчивость аномалии ПТВ более чем на 73% определяется многолетней изменчивостью ИК. В Северном полушарии в летнее для него полугодие многолетняя изменчивость аномалии ПТВ в среднем, на 43,9% определяется многолетней изменчивостью ИК, без учета Арктики – на 48,1%. В широтном диапазоне 20° – 55° с.ш. (47,7% площади полушария) многолетней изменчивостью ИК определяется 52,9% многолетней изменчивости полугодовой (летней) аномалии ПТВ. Максимальная связь отмечается в широтной зоне 25° с.ш. – 30° с.ш. где многолетняя изменчивость летней аномалии ПТВ в среднем на 58,3% определяется многолетней изменчивостью ИК.

В зимнее в Северном полушарии полугодие многолетние изменения аномалии ПТВ определяются многолетней изменчивостью инсоляции в среднем на 35,5%, в диапазоне от экватора до 80° с.ш. (98,5% площади полушария) на 39,9%. В широтном диапазоне 15° с.ш. – 50 с.ш. (50,7% площади полушария) многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ в среднем, на 53,9% определяется многолетней изменчивостью зимней инсоляции этого полушария. Наиболее тесная связь в зимнее полугодие в Северном полушарии отмечается в широтной зоне 20° с.ш. – 25° с.ш., где многолетняя изменчивость зимней аномалии ПТВ в среднем на 58,6% определяется многолетней изменчивостью зимней инсоляции. В зимнее в Южном полушарии полугодие многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ определяется инсоляцией в среднем 39,7% многолетней изменчивостью зимней (для этого полушария) инсоляции. В области вне Антарктики – в среднем на 49,7%. В широтном диапазоне от 20° ю.ш. до 50° ю.ш. (42,4% площади) многолетняя изменчивость зимней аномалии ПТВ в среднем на 69,1% определяется многолетней изменчивостью зимней инсоляции. Наиболее тесно в это время переменные связаны в широтной зоне 30° ю.ш. – 35° ю.ш., где многолетней изменчивостью зимней инсоляции определяется 83% изменчивости зимней аномалии ПТВ.

В целом, без учета Арктики (80° с.ш. – 90° с.ш.) и Антарктики (55° ю.ш. – 90° ю.ш.) в зимнее для Южного полушария полугодие многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 59,9% определяется многолетней изменчивостью зимней для этого полушария инсоляцией. В зимнее для Северного полушария полугодие многолетней изменчивостью инсоляции в среднем определяется 39,9% многолетней изменчивости зимней аномалии ПТВ. В летнее для Южного полушария полугодие многолетней изменчивостью ИК в среднем определяется 52,5% многолетней изменчивости летней аномалии ПТВ. В летнее для Северного полушария полугодие многолетней изменчивостью ИК определяется 48,1% многолетней изменчивости летней аномалии ПТВ (табл. 1).

1.2. Анализ многолетних изменений аномалии ПТВ с многолетними изменениями инсоляции в соответствующих широтных зонах

В разделе анализируется связь многолетней изменчивости годовой и полугодовой аномалии ПТВ в отдельных 5-ти градусных широтных зонах с многолетней изменчивостью инсоляции соответствующих 5-ти градусных широтных зон.

В области источника тепла (45° с.ш. – 45° ю.ш.) связь характеризуется положительными значениями коэффициента корреляции, превышающими 0,6 во всем диапазоне (83,1% площади Земли). Минимальные значения R отмечаются вблизи экватора (0,634). Максимальные значения коэффициента корреляции локализованы вблизи тропиков (рис. 7). Среднее значение R в области с положительной связью составляет 0,75.

Рис. 7. Распределение коэффициента корреляции годовой аномалии ПТВ и инсоляции соответствующих широтных зон (Дж/м²)

Полученный характер широтного распределения R связан с тенденцией усиления межширотной контрастности в солярном климате Земли: увеличением инсоляции в экваториальной области и сокращением инсоляции в полярных районах (Fedorov, 2015 b; Федоров, 2017).

Проведен корреляционный анализ многолетних значений полугодовой аномалии ПТВ в отдельных широтных зонах с инсоляцией (Дж/м²) соответствующих широтных зон за летнее и зимнее полугодие. За зимнее в Северном полушарии полугодие принимался период с октября по март, за летнее в Северном полушарии полугодие – период с апреля по сентябрь (в южном полушарии наоборот). Временные ряды охватывают период с 1900 по 2014 гг., анализировались ряды, не содержащие пропусков данных.

Проведенный анализ показывает, что связь многолетней изменчивости зимней аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью зимней инсоляции (для соответствующих широтных зон) положительная. Связь многолетней изменчивости летней аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью летней инсоляции, в соответствующих широтных зонах, отрицательная (рис. 8).

Рис. 8. Широтное распределение значений коэффициента корреляции полугодовой аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью полугодовой инсоляции в соответствующих широтных зонах (1 – зимнее полугодие для северного полушария; 2 – летнее полугодие для северного полушария)

В зимнее (в Северном полушарии) полугодие положительная связь отмечается в широтном диапазоне от 10° ю.ш. до северного географического полюса. Связь изменения зимней аномалии ПТВ с инсоляцией соответствующих широтных зон в Арктике (80° с.ш. – 90° с.ш.) слабая. Среднее значение коэффициента корреляции для области с положительными связями, за исключением Арктики, 0,608. Площадь этой области составляет 57,9% от площади Земли. Максимальное значение R отмечается в зоне 20° с.ш. –25° с.ш. и составляет 0,765.

В летнее (в Северном полушарии) полугодие область положительных связей отхватывает широтный диапазон от 10° с.ш. до южного географического полюса. Связь в широтном диапазоне 55° ю.ш. – 90° ю.ш. слабая (влияние Антарктики). Среднее значение R для области от 55° ю.ш. до 10° с.ш. составляет 0,739, что заметно выше, чем отмеченное для зимнего полугодия (0,608). Максимальное значение R (0,901) отмечается в широтной зоне 30° ю.ш. – 35° ю.ш. Площадь области от 55° ю.ш. до 10° с.ш составляет 49,5% от площади Земли.

Таким образом, в зимние для полушарий полугодия многолетние изменения аномалии ПТВ в основном определяются многолетней изменчивостью инсоляции соответствующих широтных зон (рис. 8, табл. 2).

Табл. 2. Оценка связи (R²) многолетней изменчивости
аномалии ПТВ с инсоляций соответствующих широтных зон.

Как видно из таблицы, многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ наиболее тесно связана с многолетней изменчивостью инсоляции в двух широтных диапазонах. В Северном полушарии этот диапазон охватывает область от 15° с.ш. до 50° с.ш. (50,7% площади полушария). Здесь многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 61,9% определяется многолетней изменчивостью инсоляции соответствующих широтных зон. Наиболее тесная связь в Северном полушарии отмечается в широтной зоне 45° с.ш. – 50° с.ш., где многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ на 80,1% определяется многолетней изменчивостью годовой инсоляции. В Южном полушарии диапазон тесных связей менее значителен – от 25° ю.ш. до 50° ю.ш. (34,4% площади полушария). Здесь многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 71,7% определяется многолетней изменчивостью инсоляции соответствующих широтных зон. Наиболее тесная связь в Южном полушарии отмечается в диапазоне 35° ю.ш. – 40° ю.ш., где многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ на 83.4% определяется многолетней изменчивостью годовой инсоляции этой зоны.

В зимнее в Северном полушарии полугодие тесная связь изменения аномалии ПТВ и инсоляции отмечается для широтной области от 15° с.ш. до 55° с.ш. (56,0% площади полушария). Здесь многолетняя изменчивость зимней аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 53.9% определяется многолетней изменчивостью инсоляции. Наиболее тесная связь в это полугодие отмечается в широтной зоне 20° с.ш. – 25° с.ш., где многолетняя изменчивость зимней аномалии ПТВ на 58,6% определяется изменчивостью зимней инсоляции.

В зимнее в Южном полушарии полугодие тесная связь отмечается в области 20° ю.ш. – 45° ю.ш. (36,5% площади полушария). Здесь многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 71,5% определяется изменением инсоляции. Наиболее тесная связь в это время отмечается в широтной зоне 30° ю.ш. – 35° ю.ш., где 82,9% изменчивости аномалии ПТВ определяются изменчивостью инсоляции.

Таким образом, в зимние для полушарий полугодия многолетние изменения аномалии ПТВ в основном определяются многолетней изменчивостью инсоляции соответствующих широтных зон.

1.3. Анализ многолетних изменений аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках с многолетними изменениями инсоляции и ИК Земли

При дальнейшем увеличении пространственного разрешения, связь, отмеченная для глобальных ПТВ (Земли и полушарий) и широтных зон ослабевает. Это объясняется увеличением роли местных и иных (например, циркуляционных процессов, неоднородность подстилающей поверхности) факторов в формировании региональных термических условий.

Исследовались связи многолетней изменчивости аномалии ПТВ в отдельных 5-ти градусных ячейках (всего 2592 ячейки) с многолетней изменчивостью годовой ИК Земли. Корреляционный анализ показал, что при этом пространственном разрешении (в одну 5-ти градусную ячейку) достаточно высокая связь многолетней изменчивости аномалии ПТВ и ИК сохраняется на относительно большой площади. Так, связь с коэффициентом корреляции (R), превышающим 0,6, отмечается на 16,3% площади Земли (рис. 9). В Северном полушарии такая же связь отмечается на 18,9% площади полушария, в Южном полушарии – на 13,7% площади. В Западном полушарии связь с R > 0,6 охватывает 9,7% площади, в Восточном полушарии 22,8%. Связь со значениями R превышающими 0,7 отмечается уже в гораздо меньшем пространстве – 5,7% площади Земли. Связь с R превышающим 0,8 отмечается на 0,94% площади Земли.

Рис. 9. Пространственное распределение коэффициента корреляции аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках и годовой ИК Земли

Многолетняя изменчивость зимней (для Северного полушария) аномалии ПТВ в Северном полушарии исследовалась в связи с многолетней изменчивостью инсоляции, в Южном (летнем) полушарии – в связи с изменением ИК. Использовались полугодовые значения ИК и полушарные значения инсоляции. Связи характеризующиеся значениями R превышающими 0,6, в этом случае, отмечается на 8,6% площади Земли (рис. 10). В Северном полушарии такая связь наблюдается на 9,86% площади, в Южном полушарии на 7,52%. В Западном полушарии связь с отмеченными показателями R (R > 0,6) отмечается на 4,82% площади, в Восточном полушарии на 33,53%. Связи с показателями R превышающими 0,7 и 0,8 отмечаются в зимнее для Северного полушария полугодие на 2,07% и 0,22% площади Земли соответственно.

Рис. 10. Пространственное распределение коэффициента корреляции аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках с инсоляцией и ИК в зимнее для Северного полушария полугодие

В летнее для Северного полушария полугодие многолетняя изменчивость аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках исследовалась в связи с многолетней изменчивостью ИК в Северном полушарии и многолетней изменчивостью инсоляции в Южном (зимнем) полушарии. Связи со значениями R превышающим 0,6 в это полугодие характерны для 16,4% площади Земли (рис. 11). В Северном полушарии они отмечаются на 18,7% площади полушария, в Южном полушарии на 14,0% площади. В Западном полушарии такие связи наблюдаются на 9,9% площади полушария, в Восточном на 22,9% площади. Связи с показателями R превышающими 0,7 и 0.8 отмечаются на 5,80% и 0,88% площади Земли соответственно.

Рис. 11. Пространственное распределение коэффициента корреляции аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках с инсоляцией и ИК в летнее для Северного полушария полугодие

Наиболее тесные связи при выбранном пространственном разрешении отмечаются в области являющейся источником тепла (от 45° с.ш. до 45° ю.ш.) и в Восточном (более континентальном, чем Западное) полушарии.

2. Анализ и оценка связей во времени

2.1. Анализ многолетней изменчивости месячных ПТВ с инсоляцией и ИК Земли (годовой и полугодовой).

Проведен анализ многолетних изменений месячной аномалии ПТВ Земли и полушарий в связи с многолетней изменчивостью годовой инсоляции и инсоляционной контрастности Земли и полушарий. При этом первый месяц тропического года сопоставлялся с апрелем календарного года, второй с маем месяцем и т.д.

Обнаружена невысокая отрицательная связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью годовой инсоляции Земли. Значение R в среднем для месяца составляет -0,467, находясь в пределах от -0,417 дл -0,512. Тесная положительная связь в многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ обнаружена с годовой ИК Земли (рис. 12).

Рис. 12. Годовой ход коэффициента корреляции многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ Земли и многолетней изменчивости годовой ИК Земли.

Значение R изменяется в годовом ходе от 0,734 до 0,874 в среднем, составляя 0,808. При этом в летнее, для Северного полушария, полугодие в среднем значения R (0,845) превышают значения, полученные для зимнего (в Северном полушарии) полугодия (0,771). Для Северного полушария также обнаруживается слабая отрицательная связь в многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ и многолетней изменчивости годовой инсоляции полушария. Значение R изменяются в годовом ходе от -0,353 до -0,405, в среднем составляя -0,405. Связь с многолетней изменчивостью годовой ИК полушария высокая и положительная (рис. 13).

Рис. 13. Годовой ход коэффициента корреляции между многолетней изменчивостью месячной аномалии ПТВ Северного (1) и Южного (2) полушария и многолетней изменчивостью годовой ИК соответствующего полушария.

Значение R в годовом ходе в Северном полушарии изменяется в интервале от 0,638 до 0,823 при среднем значении, равном 0,730.

В Южном полушарии также отмечается невысокая отрицательная связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ полушария с многолетней изменчивостью годовой инсоляции полушария. При среднем значении R равном -0,447, в годовом ходе он изменяется в пределах от -0,388 до -0,531. Также проявляется высокая положительная связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ Южного полушария с многолетней изменчивостью годовой ИК полушария (рис. 13). Значения R изменяется в годовом ходе от 0,787 до 0,885. Среднее значение R составляет 0,846.

Проведенный анализ также показывает, что связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ в полушариях в годовом ходе определяется многолетней изменчивостью летней для полушария ИК. Таким образом, годовой ход R, рассчитанный на основе многолетней изменчивости годовой ИК полушария (рис. 12), совпадает с годовым ходом R, рассчитанным на основе многолетней изменчивости летней ИК полушария. Связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ в полушариях с многолетней изменчивостью зимней в полушариях ИК по абсолютным значениям R совпадает со значениями R, полученными для летней ИК полушария. Однако, значения R, рассчитанные на основе зимней ИК имеют отрицательный знак.

Таким образом, многолетняя изменчивость месячных значений аномалии ПТВ Земли и полушарий в годовом ходе определяется многолетней изменчивостью годовой и летней для полушария ИК (табл. 3).

Табл. 3. Оценка связи (R2) многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ с годовой (или летней) ИК Земли и полушарий.

Из полученной оценки связи следует, что многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ Земли в среднем на 65,5% определяется многолетней изменчивостью годовой ИК Земли. Минимальные оценки связи отмечаются для января, максимальные для мая. В Северном полушарии многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ в среднем на 53,7% определяется многолетней изменчивостью годовой (или летней) ИК полушария. В Южном полушарии многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ в среднем на 71,7% определяется многолетней изменчивостью годовой (или летней) ИК полушария.

2.2. Анализ многолетней изменчивости месячных значений ПТВ с соответствующими месячными значениями инсоляции и ИК

При анализе многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ и многолетней изменчивости соответствующей месячной инсоляции Земли связь между ними не обнаружена. Однако, обнаружена связь в многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ и изменчивостью месячной инсоляции полушарий (рис. 14).

Рис. 14. Годовой ход связи (R) многолетних изменений месячных значений аномалии ПТВ с изменениями соответствующих месячных значений инсоляции в полушариях
(1 – Северное полушарие, 2 – Южное полушарие)

Положительная корреляция месячной аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью месячной инсоляции отмечается в зимние для полушарий полугодия, отрицательная в летние полугодия. При этом в Северном полушарии в зимнее полугодие R изменяется от 0,635 до 0,758, при среднем значении, равном 0,679. В Южном полушарии в зимнее для него полугодие, значения R существенно выше. Они изменяются в пределах от 0,838 до 0,885, в среднем составляя 0,863.

Обнаружена связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью соответствующих месячных значений инсоляционной контрастности для Земли и полушарий (рис. 15). При этом ИК Земли рассчитывалась на каждый месяц по разности суммарной инсоляции областей 0° – 45° и 45° – 90° в каждом полушарии (области источника и стока тепла). Затем, усреднением полушарных значений находилось среднее для Земли месячное значение ИК.

Рис. 15. Годовой ход коэффициента корреляции многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ и многолетней изменчивости месячной ИК.

Связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью месячной ИК Земли в течение года положительная и высокая. Значения R меняются в течение года от 0,732 до 0,874. Среднее значение R составляет 0,807. В летнее для Северного полушария полугодие в среднем отмечаются более высокие значения R (0,846), чем в зимнее (0,768) полугодие.

При расчете полугодовых ИК для отдельных месяцев учитывалось пространственное смещение областей источника и стока тепла в полушариях. При этом использовалась схема, приведенная в табл. 4.

Табл. 4. Схема пространственных соотношений областей источника и стока тепла в полушариях в годовом ходе (в градусах широты).

Положительная связь многолетней изменчивости месячных ИК с многолетней изменчивостью месячной аномалии ПТВ отмечается в летние для полушарий полугодия, отрицательная – в зимние полугодия (с инсоляцией наоборот) (рис. 16, табл. 5).

Рис. 16. Годовой ход R многолетней изменчивости месячных значений ИК и соответствующих месячных значений аномалии ПТВ (1 – Северное полушарие, 2 – Южное полушарие)

Значения коэффициента корреляции в Северном полушарии в летнее полугодие изменяются в пределах от 0,719 до 0,822. Среднее для месяца значение R составляет 0,777. В Южном полушарии в летнее для него полугодие значения R заметно выше, чем в Северном полушарии. Здесь значения R находятся в пределах от 0,787 до 0,875, при среднем для месяца значении R, равном 0,830. Таким образом, тесная положительная связь многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ и многолетней изменчивости месячной ИК отмечается в летние для полушарий полугодия, при этом в Южном полушарии эта связь выражена сильнее (табл. 5).

Табл. 5. Оценка связи (R²) многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью соответствующей месячной инсоляцией и ИК.

Таким образом, в целом для Земли многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 65,5% определяются многолетними изменениями ИК в соответствующие месяцы. В период с мая по июль (при положении Земли вблизи афелия) многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ в среднем на 75,0% определяется многолетней изменчивостью месячной ИК Земли. В период с декабря по февраль значения коэффициента детерминации заметно снижаются (Земля в это время находится вблизи перигелия орбиты) и в среднем составляют 56,4%.

В летнее полугодие в Южном полушарии многолетней изменчивостью месячной ИК в среднем определяется 68,9% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ. В Северном полушарии в летнее полугодие многолетней изменчивостью месячной ИК в среднем определяется 60,5% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ.

Многолетней изменчивостью инсоляции в зимнее полугодие в Южном полушарии в среднем определяется 74,5% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ. В Северном полушарии в зимнее полугодие всего 46,3% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ определяется многолетней изменчивостью соответствующей месячной инсоляции.

В многолетней изменчивости годовой аномалии глобальной ПТВ (общей за год для Земли и полушарий, то есть при уменьшении пространственного и временного разрешения) Земли, Северного и Южного полушария значения коэффициента корреляции с соответствующими значениями ИК увеличиваются и, составляют для Земли 0,835, для Северного полушария – 0,785, для Южного полушария – 0,857. При сглаживании ИК (по 21-му летнему скользящему среднему) R принимает значения 0,888, 0,833 и 0,914 соответственно. Именно эта многолетняя изменчивость глобальной температуры (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature) вызывает озабоченность МГЭИК и, ее понижение является основной целью Парижского соглашения по климату. Многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ Земли, Северного и Южного полушария определяется многолетней изменчивостью ИК на 78,9%, 69,4,% и 83,5% соответственно. Таким образом, антропогенные возможности влияния на изменение (понижение) аномалии глобальной ПТВ существенно ограничиваются.

Выводы

1) Многолетняя изменчивость глобальной ПТВ (Земли и полушарий) в основном определяется трендами которые тесно связаны с изменением инсоляционной контрастности Земли и полушарий определяемой изменением угла наклона оси вращения Земли. Многолетняя изменчивость ПТВ Земли на 81,4%, в северном полушарии на 74,7%, в южном полушарии на 83,7% определяется многолетней изменчивостью инсоляционной контрастности Земли и полушарий.

2) Проведенный анализ региональных связей показывает, что в полярных областях связь многолетней изменчивости годовой аномалии ПТВ и многолетней изменчивости ИК слабая. В южной полярной области (55° ю.ш. – 90° ю.ш.) эта связь нарушается влиянием Антарктиды, в северной полярной области (80° с.ш. – 90° с.ш.) влиянием Арктики (суммарно это влияние проявляется на 9,9% площади Земли). В широтной области от 55° ю.ш. до 80° с.ш. (т.е. без учета Арктики и Антарктики), многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ на 90,1% площади Земли на 53,9% определяется многолетней изменчивостью ИК. В летние в полушариях полугодия многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ в значительной степени определяется ИК, в зимние полугодия – инсоляцией. В целом, (без учета Антарктики) в зимнее для Южного полушария полугодие многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 59,9% определяется многолетней изменчивостью зимней для этого полушария инсоляцией. В зимнее для Северного полушария (без учета Арктики) полугодие многолетней изменчивостью инсоляции в среднем определяется 39,9% многолетней изменчивости зимней аномалии ПТВ. В летнее для Южного полушария полугодие многолетней изменчивостью ИК в среднем определяется 52,5% многолетней изменчивости летней аномалии ПТВ. В летнее для Северного полушария полугодие многолетней изменчивостью ИК определяется 48,1% многолетней изменчивости летней аномалии ПТВ. Многолетняя изменчивость годовой аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 56,8% определяется многолетней изменчивостью инсоляции соответствующих зон. В зимнее в Южном полушарии полугодие многолетняя изменчивость полугодовой аномалии ПТВ на 55,6% определяется зональной инсоляцией, в зимнее в Северном полушарии полугодие – на 38,4%.

3) Проведенный анализ связи во времени показывает, что многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ Земли в среднем на 65,5% определяется многолетней изменчивостью годовой ИК Земли. Минимальные оценки связи отмечаются для января, максимальные для мая. В Северном полушарии многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ в среднем на 53,7% определяется многолетней изменчивостью годовой (или летней) ИК полушария. В Южном полушарии многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ на 71,7% в среднем определяется многолетней изменчивостью годовой (или летней) ИК полушария. Положительная корреляция месячной аномалии ПТВ с многолетней изменчивостью месячной инсоляции отмечается в зимние для полушарий полугодия. Положительная связь многолетней изменчивости месячных ИК с многолетней изменчивостью месячной аномалии ПТВ отмечается в летние для полушарий полугодия, отрицательная – в зимние (с инсоляцией наоборот). Таким образом, в целом для Земли многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 65,5% определяются многолетними изменениями инсоляционной контрастности в соответствующие месяцы. В период с мая по июль (при положении Земли вблизи афелия) многолетняя изменчивость месячной аномалии ПТВ в среднем на 75,0% определяется многолетней изменчивостью месячной ИК Земли. В период с декабря по февраль значения коэффициента детерминации заметно снижаются (Земля в это время находится вблизи перигелия орбиты) и в среднем составляют 56,4%. В летнее полугодие в Южном полушарии многолетней изменчивостью месячной ИК в среднем определяется 68,9% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ. В Северном полушарии в летнее полугодие многолетней изменчивостью месячной ИК в среднем определяется 60,5% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ. Многолетней изменчивостью инсоляции в зимнее полугодие в Южном полушарии в среднем определяется 74,5% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ. В Северном полушарии в зимнее полугодие всего 46,3% многолетней изменчивости месячной аномалии ПТВ определяется многолетней изменчивостью месячной инсоляции.

Поскольку солнечная радиация является основным источником тепла на Земле, то найденные корреляционные связи являются и причинно-следственными. Найденные связи в основном отражают известные тенденции изменения солярного климата Земли в настоящее время: усиление широтной контрастности и сглаживание сезонных различий. (Fedorov, 2015 b; Федоров, 2017). Для современного солярного климата характерно сокращение поступления радиации в летние полугодия и увеличение в зимние полугодия. С тенденциями этих характеристик солярного климата Земли связаны найденные соотношения в многолетней изменчивости аномалии ПТВ и многолетней изменчивости инсоляции и ИК в пространстве и во времени.

Отмеченные достаточно высокие характеристики связи глобальной аномалии ПТВ и ИК, с увеличением пространственного и временного разрешения (от климатического масштаба к синоптическому), снижаются в связи с увеличением влияния местных и иных факторов (неоднородности подстилающей поверхности, циркуляционных процессов и др.) синоптического масштаба на формирование многолетних региональных и сезонных термических условий.

Литература